论文部分内容阅读
细晶强化是目前常用的金属材料强化手段之一，也是唯一能同时提高强度和塑性的方法。搅拌摩擦加工（FSP）是一种新兴的严重塑性变形材料加工方法，目前已成功利用该技术将晶粒尺寸细化到微米级别，但单纯利用FSP进一步细化晶粒存在较大难度。因此，本课题提出一种超声辅助半固态搅拌摩擦加工（UASFSP）的复合工艺方法，并对其工艺机理进行了研究。本课题采用ZL101铝合金作为研究材料，利用ANSYS进行了UASFSP数值模拟，确定了超声最佳振动频率为24000-25500Hz，最佳振动位置为：振动源位置可调节时，应保持焊核区位于振动源边沿处；当振动源位置无法移动时，焊缝中间位置B可以作为恒定振动源位置。采用测温试验确定了可以实现SFSP的加工工艺参数，在n=2000r/min，加工速度分别为v=5mm/min、v=10mm/min、v=15mm/min时，焊核区可以达到半固态状态，其处在半固态温度区间的时间为73s、32s、20s。研究了水冷对SFSP的影响，发现在试验参数n=2000r/min，v=5mm/min时相较于普通SFSP试样，水冷SFSP轴肩影响区和焊核区的过渡更加平缓，晶粒尺寸的变化相对降低，焊核区晶粒细化程度增加。通过对水冷SFSP试样的硬度测试发现，加工区域的硬度总体上要小于母材区，但其变化幅度要明显小于母材区，加工区域存在加工缺陷。通过聚苯乙烯颗粒-水模型及沙形振动物理试验对空化效应规律及最佳振动源位置进行了研究。发现超声空化效应的影响范围及空化效应强度，随着电磁搅拌器旋转速度的增加而增大，随着聚苯乙烯颗粒浓度的增加而减弱；在沙形振动试验中振动源的位置应位于试板边缘中心位置。在前述模拟及实验的基础上，进行了UASFSP试验。工艺参数为n=2000r/min，v=5mm/min，加载的振动源功率分别为1000W、1400W、1800W，同时进行喷水强冷。发现当超声功率为1000W时，加工区域存在超声扰流区域，超声扰流区域的晶粒细化程度强于焊核区，硬度相较普通SFSP变化不大；随着超声功率的增加焊核区与超声扰流区融合，焊核区面积增加，焊核区晶粒细化程度增加，加工缺陷消失，焊核区硬度增加。